DSP17解析学习教程.pptx
硬件基础1主要内容主要内容17.1 模拟量输入 17.2 模拟量输出 17.3 数字系统中的电源 第1页/共56页硬件基础2 17.1 模拟量输入模拟量输入 生产过程中的随时间连续变化的物理量，如温度、压力、流量、液位、湿度等，由传感器检测并转换为模拟的电信号，通过模拟量输入通道送至计算机系统，最终经A/D转换器转化为数字量，才能交由计算机处理。q 多路A/D转换技术 q 采样-保持器 q 模拟量输入的隔离 q 模拟输入信号的放大q 模拟量输入信号滤波 第2页/共56页硬件基础3 17.1.1.多路多路A/D转换技术转换技术 多路A/D转换系统的结构 采用集成多路A/D转换器 每个模拟量输入配置一个A/D转换器 多路模拟量输入复用一个A/D转换器 多路开关 q 机械触点式 集成多路模拟开关 图17.16 多路复用方式A/D转换原理图17.16所示电路工作时，由计算机控制多路模拟开关选择某一路模拟信号，将其送至采样-保持器，再经放大、A/D转换处理变为数字量，从而完成该路模拟输入的采样与转换工作。第3页/共56页硬件基础4机械触点式多路开关机械触点式多路开关 机械触点式多路开关主要有干簧继电器、水银继电器等，其中干簧继电器体积小、切换速度高、噪声小、寿命长，最适合作为模拟输入的多路开关。干簧继电器的开关频率为1040次/秒，断开时的电阻大于 1M，导通电阻小于 50m，切换动作时间约 1ms，不受环境温度影响，可通过的电压、电流容量大，动态范围宽；与电子开关相比，其缺点是体积大、工作频率低，而且通断时有机械抖动现象，故一般用于低速高精度检测系统中。图17.17为干簧继电器的原理图，线圈通/断电就使触点接触或断开。图17.17 干簧继电器的原理第4页/共56页硬件基础5集成多路模拟开关集成多路模拟开关 集成模拟开关是将多路半导体模拟开关集成在一个芯片上，其特点是切换速度高、体积小、应用方便，但比机械多路开关的导通电阻大，为几十至几百欧姆，而且各通道之间有时会互相串扰。第5页/共56页硬件基础6集成多路模拟开关集成多路模拟开关 图17.18是AD7501的结构，通过芯片使能端EN和通道选择端A0、A1、A2，每次只选择8个输入端中的一个与公共输出端OUT接通，其真值表见主教材表2.4。EN、A0、A1、A2为数字信号输入，逻辑上兼容TTL/DTL或CMOS电平。图17.18 AD7501的结构图 第6页/共56页硬件基础7集成多路模拟开关集成多路模拟开关 图17.19是采用AD7501构成的8路差分模拟信号输入电路，其中V1i为第 i 路(i=1，2，8)模拟输入信号的正端,V2i 为第 i 路(i=1，2，8)模拟输入信号的负端，V为输出模拟信号的正端，V-为输出模拟信号的负端。图17.19 8路差分模拟信号输入电路 第7页/共56页硬件基础8 17.1.2.采样采样-保持器保持器 在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换器的孔径时间(即转换时间)而造成较大的转换误差，克服的方法是在A/D转换器之前设置采样-保持电路。在数字系统中，一般采用集成的采样-保持器。q LF398第8页/共56页硬件基础9图17.20 LF398的电路原理LF398 图17.20是LF398的电路原理，放大器A2作为比较器来控制开关S的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则S闭合，由A1、A3组成跟随器，并向 CH 端外接的保持电容充电；IN+的电压低于 IN-的电压时，则S断开，外接电容保持S断开时刻的电压，并经A3 组成的跟随器输出至输出端。第9页/共56页硬件基础10LF398 图17.21是LF398典型应用电路。控制端VC为高电平时，处于采样状态，输出跟随输入；控制端 VC 为低电平时，处于保持状态，输出保持VC由高电平向低电平跳变瞬间的输入电压数值。引脚2所接的电阻用于直流调零，反相器及其所接电阻、电容用于交流调零。图17.21 LF398的典型应用第10页/共56页硬件基础11 17.1.3.模拟量输入的隔离模拟量输入的隔离 出于对系统抗干扰、噪声抑制及安全等因素的考虑，往往对模拟量信号输入进行隔离。根据具体情况，可以采用以下几种措施q 光电隔离q 共模电压的隔离第11页/共56页硬件基础12光电隔离光电隔离 在数字系统中，一般在计算机接口和A/D转换电路之间实施光电隔离。这种隔离保证了模拟量信号输入部分和计算机数字处理系统之间的彻底的电气隔离，而且由于是在数字接口部分隔离，使得其实现简单、造价低廉。图17.22 模拟量信号输入的光电隔离第12页/共56页硬件基础13共模电压的隔离共模电压的隔离 共模电压是指多根信号线上的电压相对参考电压的相等的部分。常用的共模电压隔离措施有以下几种：光电隔离 这种隔离即前面所述的模拟量信号输入光电隔离技术，它实现了模拟部分和数字部分的电气隔离，能够克服光电隔离输出、输入两端设备的地线间的共模干扰，但无法克服模拟信号之间的共模干扰。q 电容隔离技术 q 隔离放大器 第13页/共56页硬件基础14电容隔离技术电容隔离技术 原理见图17.23。平时，开关S1i(i=1,2,.,n)处于闭合状态，Ci的电压跟踪Vi的输入值，开关S2i(i=1,2,.,n)处于断开状态。需检测Vi时，则令S1i断开，S2i闭合，放大器A的输出经采样-保持器送至A/D转换器化为数字量，然后开关再恢复平时的状态。在采样、转换过程中，放大器A不与任何模拟量信号输入共地，电容Ci的电压均为差模电压，这样就克服了共模电压的影响。图17.23 共模电压的电容隔离技术第14页/共56页硬件基础15隔离放大器隔离放大器 隔离放大器包括高性能的运算放大器、调制解调器、信号耦合变压器、输出运算放大器、滤波器和电源几个部分。输入、输出和电源都是由变压器隔离的，没有任何电路连接，从而实现了输入信号、输出信号及电源的隔离。图17.24给出了GF289型集成隔离放大器的原理图。图17.24 GF289型集成隔离放大器原理图第15页/共56页硬件基础16隔离放大器隔离放大器 图17.25介绍了GF289型集成隔离放大器的典型接线。若每一路模拟量信号输入都采用这种放大器隔离，就可以从根本上消除共模电压的影响。图17.25 GF289型集成隔离放大器的典型接线第16页/共56页硬件基础17 17.1.4.模拟输入信号的放大模拟输入信号的放大 传感器的输出信号通常都是弱信号，需经放大才能进行A/D转换，信号放大是控制系统中不可缺少的环节。集成放大器体积小、精度高、可靠性好、开环增益大，利用它们可构成比例、加减、积分、微分等运算，因此得到广泛应用。q 测量放大器 q 程控增益放大器 第17页/共56页硬件基础18测量放大器测量放大器 传感器的输出信号一般较弱，且其中含有各种共模干扰，这就要求对其放大的电路具有很高的共模抑制比和高增益、高输入阻抗、低噪声，习惯上称这种放大器为测量放大器或仪表放大器。图17.26是四个运放构成的仪表放大器电路，其中，运算放大器A1A3构成仪表放大器，A4用于实现零输出的综合补偿。图17.26 四个运放构成的仪表放大器电路 第18页/共56页硬件基础19测量放大器测量放大器 集成仪表放大器外接元件少，无需精密匹配电阻，使用灵活，能够处理从几微伏到几伏的电压信号，可对差分交/直流信号进行精密放大，适合于快速采样，能够抑制从直流到数百兆赫频率的噪声信号。常用的集成仪表放大器有AD521、AD522、ZF603、ZF605和BG004等。图17.27 AD521的典型接线图 图17.28 AD522的典型接线图 第19页/共56页硬件基础20程控增益放大器程控增益放大器 为了减少A/D转换的误差，应使模拟量输入信号的幅值范围尽可能接近A/D转换器的量程。如果采用固定增益的放大电路，当输入信号幅值波动范围大时无法在输入信号的整个变化范围内实现减少误差的目的。另外，当有多路模拟量信号输入时，各信号的幅值也可能相差悬殊，采用固定增益的放大电路同样会造成大信号转换精度高而小信号转换误差大的后果。这时，可以采用程控增益放大器来解决这个问题。第20页/共56页硬件基础21程控增益放大器程控增益放大器图17.29 程控增益放大器原理 图17.29是程控增益放大器的原理。模拟开关S1S3由计算机程序来控制，任何时候至少有一个开关是闭合的。通常由软件控制使模拟开关中的某一个或某几个闭合，然后进行A/D转换，并由转换结果判断放大倍数是否合适，如不合适则改变开关状态，直至达到可能的最佳的放大倍数。第21页/共56页硬件基础22程控增益放大器程控增益放大器图17.30 CD4051组成的程控增益放大器 图17.30是用8选1的模拟开关CD4051组成的程控增益放大器电路。图中A、B、C是输入通道地址选择端，通过计算机的并行输出口控制，每次只选中8个输入Y0Y7中的一路与公共端COM接通。此电路可实现8种不同的放大倍数。第22页/共56页硬件基础23 17.1.5.模拟量输入信号滤波模拟量输入信号滤波 工业现场的环境往往非常恶劣，致使由传感器得到的模拟量信号中混有噪声信号，用长线传输时尤为突出，严重时噪声信号可能淹没真实信号，如不加处理，就会导致系统控制失败。因此，必须进行模拟量信号滤波处理以抑制噪声，提高信噪比。硬件滤波是指在模拟信号进入A/D转换器前，用硬件电路进行滤波。通过合理的滤波电路的设计，可以滤除模拟输入信号中的特定频段的噪声信号。按是否采用有源器件，滤波器可以分为有源滤波器和无源滤波器两大类；按滤波的频段，又可以分为低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波。q FLT-U2集成RC滤波器 第23页/共56页硬件基础24FLT-U2集成集成RC滤波器滤波器 FLT-U2是采用厚膜混合集成技术制造的，其内部有四级运放和RC元件，前三级组成滤波器，第四级是独立的，可用做增益级、缓冲级或形成附加单极点的滤波器。FLT-U2的工作电源电压范围宽，可为515V，输入阻抗达5M，频率范围为0.0012106Hz，Q值（特征频率下的滤波电路的电压放大倍数的模与通带电压放大倍数之比）范围在0.11000之间，通带截止频率准确度为5，单位增益带宽为5MHz。图17.31 FLT-U2的电路原理图第24页/共56页硬件基础25FLT-U2集成集成RC滤波器滤波器图17.32 FLT-U2的外部引脚图第25页/共56页硬件基础26FLT-U2集成集成RC滤波器滤波器图17.33 FLT-U2的典型应用线路图第26页/共56页硬件基础27 17.2 模拟量输出模拟量输出 在数字系统中，有些被控对象或执行机构需要模拟量信号输入，这就要求计算机把计算好的数字控制量转换为模拟量信号输出出去。从数字量到模拟量的转换，一般采用集成D/A转换器实现。第27页/共56页硬件基础28 模拟量信号输出的两个共性问模拟量信号输出的两个共性问题题 由于D/A转换器的种类繁多，不同种类的D/A转换器的具体使用方法也不尽相同。此处仅介绍模拟量信号输出的两个共性问题：多通道D/A转换系统设计 q 每一个通道设置一个独立的D/A转换器 q 多通道复用一个D/A转换器 模拟量信号输出的光电隔离 第28页/共56页硬件基础29每通道设置一个独立的每通道设置一个独立的D/A转换转换器器 这种方案的优点是转换速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出现故障也不会影响其他通道的工作，相应软件的编制也比较简单。但是，如果模拟量信号输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的D/A转换器时，这一问题尤为严重。第29页/共56页硬件基础30多通道复用一个多通道复用一个D/A转换器转换器 这个方案是由计算机通过多路模拟开关分时地把一个D/A转换器的输出送至各个采样-保持放大器，并由保持电容对模拟量信号进行保持。该方案优点是成本较低，缺点是电路结构复杂、精度低、可靠性差，受运算放大器的输入阻抗、模拟开关和保持电容的漏电阻等因素的影响，导致保持电容上的电压信号逐渐衰减，需要计算机定时刷新输出，也因此占用了CPU的大量时间。此方案适用于输出通道不多且对速度要求不高的场合。图17.34 多路复用方式D/A转换原理第30页/共56页硬件基础31模拟量信号输出的光电隔离模拟量信号输出的光电隔离 在工业现场应用中，为了消除公共地线带来的干扰，提高系统的安全性和可靠性，应采用光电隔离措施来隔离数字系统与现场被控设备。模拟量信号输出的光电隔离，一般在计算机与D/A转换器之间的数字接口部分进行，其原理见图17.35。注意对模拟开关的通道选择控制部分也应采取光电隔离措施。图17.35 带光电隔离的多通道复用方式D/A转换的原理图第31页/共56页硬件基础3217.3 数字系统中的电源数字系统中的电源q 交流电源系统q 直流稳压电源设计 q 基准电源 q 隔离电源第32页/共56页硬件基础33 17.3.1.交流电源系统交流电源系统 交流电源通常和电网相连接，然而，工业现场的电网所接负载极其复杂，导致电网出现浪涌、尖峰、过压、欠压等现象，给数字系统的运行带来了严重的干扰，甚至会使系统无法正常工作。因此，除按需要设计、计算有关交流电源系统的电路和参数外，还要考虑交流电源的净化问题。第33页/共56页硬件基础34 17.3.2.直流稳压电源设计直流稳压电源设计 在数字系统中，不同的场合需要用到不同电压等级的直流稳压电源供电，如5V、12V、15V、18V和24V，等等。下面，介绍一下直流稳压电源的一般设计方法。直流稳压电源可以采用分立元件设计，但更多的采用集成稳压器来设计。集成稳压器具有体积小、可靠性高、成本低、使用方便等优点。q 几种常用的集成稳压器第34页/共56页硬件基础35几种常见的集成稳压器几种常见的集成稳压器 三端输出电压固定式集成稳压器 q W7800系列三端固定式正输出集成稳压器 q W7900系列三端固定式负输出集成稳压器 三端输出电压可调式集成稳压器 第35页/共56页硬件基础36W7800系列三端固定式正输出系列三端固定式正输出集成稳压器集成稳压器 该系列器件只有输入端1、输出端2和公共端3。其外形、管脚和接法见图17.36。使用时需在输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容。C1是输入滤波电容，一般为0.33F，用来改善纹波和抑制高频干扰。C2是输出电容，一般为0.1F,用于改善负载的瞬态响应。根据需要可以附加其他的输入滤波电容和输出电容。图17.36 W7800系列集成稳压器第36页/共56页硬件基础37W7900系列三端固定式负输出系列三端固定式负输出集成稳压器集成稳压器 W7900系列是三端固定式负输出集成稳压器，它与W7800系列稳压器在使用的接法上基本相同。值得注意的是W7800系列的管壳是公共端，而W7900系列的管壳为输入端。图17.37 W7900系列典型接线图第37页/共56页硬件基础38 三端输出电压可调式集成稳压三端输出电压可调式集成稳压器器 W117、W217、W317正输出三端电压可调式集成稳压器 W137、W237、W337负输出三端电压可调式集成稳压器 W137、W237、W337是负输出三端电压可调式集成稳压器，其主要参数和主教材表2.8基本相同，但输入、输出电压均为负值。第38页/共56页硬件基础39W117、W217、W317三端三端电压正输出可调式集成稳压器电压正输出可调式集成稳压器 W117、W217、W317是正输出三端电压可调式集成稳压器，使用方便，内部具有过热、过流等保护措施，比W7800系列稳压器有更高的稳压精度。第39页/共56页硬件基础40 图 17.40是 用 W317组 成 的 可 调 式 稳 压 电 源，其 输 出 电 压VO=VR1+VR2。其中，VR1为电阻R1两端的电压，也即为W317的3脚和1脚之间的基准电压1.25V；VR2为可变电阻R2两端的电压，满足VR2=(I1+VR1/R1)R2。由于I1很小可以忽略，于是VO=1.25(1+R2/R1)，改变R2的阻值，即可改变输出电压值。若R2取为6.8k的电位器，可实现输出电压1.2537V连续可调。图中C1、C2的作用与图17.36中C1、C2的作用相同。C0为滤波电容，D1、D2是稳压器的短路保护二极管，用于在输入端或输出端发生对地短路时释放电容C2或C3上存储的电荷。图17.40 W317组成的1.2537V稳压电源W117、W217、W317三端三端电压正输出可调式集成稳压器电压正输出可调式集成稳压器第40页/共56页硬件基础41 17.3.3.基准电源基准电源 一般A/D、D/A转换器都需要由外部提供参考电源，在A/D、D/A转换器选定后，转换精确度主要取决于参考电源的精度；高精度放大电路需要提供高精度的工作电源，其关键也在于要有精密的参考电源，习惯上，我们常称之为基准电源。q AD580系列高精度电压基准集成电路 第41页/共56页硬件基础42AD580系列系列高精度电压基准集成电路高精度电压基准集成电路 AD580系列高精度电压基准集成电路具有输出电压精度高、温漂小、输出噪声低和动态内阻小等优点，但输出电流能力很小，一般不能作为稳压器使用，主要用于为A/D、D/A转换电路或其他电路提供参考电源。q AD589q AD584第42页/共56页硬件基础43AD589 AD589是双端、具有温度补偿的带隙电压基准，其高稳定性主要取决于芯片上元件的匹配和热跟踪，低输出阻抗使得不需外接元件就能在负荷变化条件下保持全精度。AD589在输入电流在50A5mA之间时提供固定的1.2V输出电压。使用图17.41所示的线路可以得到1.2V或更小的基准电压。图17.41 AD589应用电路第43页/共56页硬件基础44AD584 AD584在在芯芯片片制制作作阶阶段段经经过过激激光光调调整整，具有很好的温度系数和输出电压的稳定精度。通过引脚编程可以输出四种常用的电压，通过外接电阻还可以得到其他幅值的输出电压。输入电压可在4.540V之间变化。下面介绍AD584的几种应用电路。AD584的几种应用电路 q 正电压基准输出q 负电压基准输出 q 精密限流器q 精密电流源 q 5V电压跟踪基准图17.42 AD584的引脚图第44页/共56页硬件基础45正电压基准输出正电压基准输出 图17.43中，1端为基准电压输出端，2端为5V端，3端为2.5V端。当1端与2、3端都各自互不连接时，1端输出10.000V基准电压；若将3端和2端连接起来，1端电压输出为7.500V；若将2端和1端连接起来，1端电压则为5.000V；若将3端和1端连接起来，在1端可以得到2.500V基准电压输出。图17.43 正电压基准输出第45页/共56页硬件基础46负电压基准输出负电压基准输出 如图17.44所示，使用双端齐纳方式的AD584，分别可以得到值为5.000V、7.500V和10.000V的负基准电压输出。图17.44 负电压基准输出第46页/共56页硬件基础47精密限流器精密限流器应用图17.45所示的电路，AD584可被用作精密限流器。图17.45 AD584构成的精密限流器第47页/共56页硬件基础48精密电流源精密电流源AD584外接少量的元件可构成能提供小电流的电流源，应用电路见图17.46。图中RC为精密电阻，其两端电压被运算放大器AD547保持在2.5V，所提供电流为2.5V/RC，此电路能提供低到毫安、微安级的稳定电流。图17.46 AD584构成的精密电流源第48页/共56页硬件基础49精密电流源精密电流源 若需要能提供较大电流的电流源，可使用图17.47提供的电路。图17.47 可提供大电流的精密电流源第49页/共56页硬件基础50 5V电压跟踪基准电压跟踪基准使用图17.48所示的电路可以提供5V电压跟踪基准。图17.48 5V电压跟踪基准 第50页/共56页硬件基础51 17.3.4.隔离电源隔离电源 在数字系统中，为了提高系统运行的安全性、可靠性和抗干扰能力，需要使用隔离技术（如光电隔离等）用于隔离计算机系统与信号输入、输出通道以及系统中互联的单元。而实施隔离技术，最基本的要求是被隔离的各个部分由独立的或相互隔离的电源供电，以切断各个部分间的电路联系。因此，隔离电源在数字系统中是不可缺少的。q 两种得到隔离电源的方法第51页/共56页硬件基础52两种得到隔离电源的方法两种得到隔离电源的方法 采用不同的电源变压器或相互独立的变压器二次绕组的输出为各隔离部分供电，将它们分别进行整流、稳压等处理，就可获得互相隔离的直流电源。这种方法可以有效到抑制高频干扰对系统的影响及系统各部分之间的相互影响，且实现简单，但需要额外的变压器或变压器绕组，使得系统的体积变大。采用带电压隔离的DCDC转换器，它不仅可以实现直流电压到直流电压的隔离转换，还可以实现通道与通道之间、输出与输入之间的隔离。第52页/共56页硬件基础53图17.49 DCDC转换隔离电源两种得到隔离电源的方法两种得到隔离电源的方法 DCDC转换隔离电源的基本原理见图17.49。图中，输入级滤波器用于抑制来自系统电源的噪声和从调制器反馈回的脉动信号，调制器把直流信号转换为交流信号以使其可以通过变压器，由变压器实现电压转换和隔离，输出解调器分离出所需的直流电平，输出级滤波器抑制输出噪声和脉动信号。第53页/共56页硬件基础54两种得到隔离电源的方法两种得到隔离电源的方法图17.50给出了DCDC转换隔离电源的应用电路。图17.50 DCDC转换隔离电源应用第54页/共56页硬件基础55关于考试概念题：8小题40分计算题：46题60分第55页/共56页硬件基础56感谢您的欣赏！第56页/共56页
